Alocação Dinâmica de Espectro:
Padrões e Normas
Grupo de Pesquisa em Sistemas sem Fio
Juergen Rochol
([email protected])
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
1
Realidade sobre o boom de Sistemas sem fio
Com a escassez cada vez maior de espectro, os dispositivos sem fio
buscam alternativas cada vez mais engenhosas para operar em
bandas licenciadas, porém ociosas, como canais de TV e bandas ISM
As bandas mais cobiçadas e utilizadas atualmente pelos dispositivos
sem fio, são a banda VHF (30 MHz a 300 MHz) e a banda UHF (300
MHz a 3 GHz) onde são encontradas frequências licenciadas como
canais de TV analógicos, DTV (TV digital) e microfone sem fio, além de
muitos canais de TV ociosos
Os dispositivos que transmitem de forma oportunista nestas bandas em
canais de TV (BW=6 MHz) ociosos, são conhecidos como WSDs (White
Space Devices) ou também como RC (Radio Cognitivo)
A maioria destes dispositivos tem como objetivo oferecer serviços de
WBA (Wireless Broadband Acces) na forma de redes sem fio tipo Mesh
ou Ad-Hoc com cobertura regional, por isso chamadas de WRAN
(Wireless Regional Area Network). Um exemplo deste tipo de rede é a
Rede IEEE 802.22
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
2
Conceito de Rádio Cognitivo
• Rádio Cognitivo (CR) é um termo cunhado por Joe Mitola em alguns
artigos seus e na sua tese de doutorado (1999-2000).
• O termo CR designa rádios inteligentes que tem condições de tomar decisões
a partir de informações obtidas do ambiente de RF através de um
modelo de raciocínio.
• Rádio Cognitivo pode igualmente aprender e planejar baseado na sua
experiência passada
• Este tipo de inteligência exige que o RC tenha os seguintes predicados:
Tenha conhecimento de si
mesmo (Self-aware)
Conheça o contexto em que opera
(Context-aware) e
Conheça a sua composição
(Content-aware)
Vamos focar nesta apresentação o contexto espaço/espectro de um sistema RC
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
3
Espectro Eletromagnético - Conceito e Alocação
Freqüência [Hz]
102
103
104
105
106
107
108
109
1010
1011
1012
Espectro de Radiofrequências
ULF
106
VLF
105
MF
LF
104
103
HF
102
VHF
101
UHF
1
1013
1014
1015
10-1
1018
1019
1020
1021
Raios 
Raios X
Luz visível
EHF
10-2
1017
Ultravioleta
Infravermelho
SHF
1016
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12 10-13
Comprimento de onda [m]
f1
Exemplo de Canal
de radiofreqüência
f2
fc
Largura de banda do canal:
B= f2- f1
fc: Freqüência da portadora
Faixa de 30 MHz a 300 MHz é
ótima para redes sem fio fixas
Designação (ITU)
ULF Ultra Low Frequency
VLF Very Low Frequency
LF Low Frequency
MF Medium Frequency
HF High Frequency
VHF Very High Frequency
UHF Ultra High Frequency
SHF Super High Frequency
EHF Extremely High Frequency
Freqüência [Hz]
300Hz a 3000Hz
3kHz a 30kHz
30kHz a 300kHz
300kHz a 3000kHz
3MHz a 30MHz
30MHz a 300MHz
300MHz a 3000MHz
3GHz a 30GHz
30GHz a 300GHz
Comprimento de onda
1000km a 100km
100km a 10km
10km a 1km
1km a 100m
100m a 10m
10m a 1m
1m a 10cm
10cm a 1cm
1cm a 1mm
Faixa de 1GHz a 10 GHz é
ótima para redes sem fio móveis
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
4
O espectro visível e invisível
Diminui o comprimento de onda
Aumenta a Frequência
Fótons de maior Energia
100
400
Ultravioleta
500
Aumenta o Comprimento de Onda
Diminui a Frequência
Fótons de menor energia
600
700
750
1800
Infravermelho
Espectro Visível
Comunicações Ópticas
- Redes fixas (WAN)
- Alto desempenho
3000 nm
Banda Passante
da Fibra Óptica
B˜ 262 THz
λ=750 nm ou
f=428.1012 Hz ou
f=428THz
λ=1800 nm ou
f=166.1012 Hz ou
f=166THz
Uma única fibra óptica tem uma
largura de banda 5000 vezes
maior que todo o espectro de
radiofrequencia
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
5
Características de Propagação em Sistemas
sem Fio em função da freqüência
1.
Quanto maior a frequência, mais se acentuam os fenômenos da
reflexão e difração de radiofrequências e mais facilmente o sinal
contorna obstáculos.
2. Em altas frequências se acentuam os fenômenos de fading,
multipath e doppler, principalmente devido mobilidade.
3. Com o aumento da frequência as exigências de linha de visada
(LOS) diminuem e cresce a condição de NLOS.
4. A primeira solução para resolver o problema da escassez de
canais é a reutilização espacial de frequência como em redes
celulares
5. Redes celulares são Redes sem fio do tipo ponto a multiponto.
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
6
Primeira solução para economizar espectro de frequências
Reutilização espacial de frequências
 As redes celulares são a chave para conseguir a mobilidade para o usuário e reutilização de
frequências.
 A Estação móvel se conecta a uma estação rádio base (ERB) fixa.
 A ERB numa célula dispõe de um número limitado de canais de RF para se comunicar com as
estações móveis localizadas nesta célula.
 Células adjacentes utilizam conjuntos de frequências diferentes para evitar interferências
 Se a densidade de usuários numa determinada área geográfica aumentar, pode-se facilmente
segmentar uma célula em células menores e assim dobrar ou triplicar o número de usuários nesta
região.
AC
Centro de
Autenticação
Rede Telefônica fixa
Pública
Base de Dados
de gerencia de
Mobilidade
Centro de
Comutação
Móvel
Estação
Móvel A
(EM)
Estação
Rádio Base
(ERB)
Reuso espacial
dos canais de RF
via células
Estação
Móvel B
(EM)
Célula
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
7
Reuso espacial de frequências em redes celulares
Para se conseguir a reutilização das frequências em uma rede celular e assim
conseguir a cobertura de uma área geográfica maior, define-se um esquema de
repetição de diferentes conjuntos de canais de RF, de tal forma que as células
adjacentes a uma célula contenham sempre conjuntos de canais diferentes.
T: número total de canais disponíveis para o sistema
N: número de conjuntos (também chamado de fator de reutilização)
C: número canais por conjunto
C 
T
N
ou
N 
T
C
Utilizando-se uma célula hexagonal, pode-se mostrar que N pode assumir
somente valores definidos pela seguinte expressão:
N  j 2  k 2  ( j .k ) com j , k  0 , 1, 2 , 3 ,...
Desta forma, obtemos para N os seguintes valores: N = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, e
assim por diante.
Podemos definir também uma distância d entre os centros de duas células
adjacentes dado por d  R 3 , e uma distância mínima D entre duas células com
as mesmas frequências,
D

R
3 N ou
D

d
N
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
8
Reuso de frequências com fator N=7
R
d
4
5
2
7
D
3
7
1
7
1
5
2
3
1
6
4
5
2
7
2
3
6
4
5
2
7
3
4
5
7
1
4
6
4
2
3
1
6
5
7
1
4
5
5
7
3
6
3
7
1
4
2
3
6
1
4
2
7
3
6
5
4
2
3
6
2
2
7
3
1
6
6
4
5
- Padrão de repetição com N=7 (círculo)
- D: Distância mínima entre células com mesma frequência
- d: distância entre centros de células adjacentes
- R: raio de uma célula
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
9
Algumas Definições…
Definição 1:
Sistemas sem fio que utilizam Acesso por Alocação Dinâmica
de Espectro, DSA (Dynamic Spectrum Access), são definidos
como sendo Sistemas de Rádio Cognitivo (SRC), mas não são
os únicos.
Definição 2:
O que pode ser alocado dinamicamente em sistemas de Radio Cognitivo são:
1. CANAIS de RF (White Space). Ex. Canal de TV de 6 MHz)
2.
Canais para FHA (Frequency Hopping Adaptative). Ex. WPAN, Sistemas
celulares, WLAN) (Ex. FHSS)
3.
Partilhamento de CAPACIDADE ociosa de um canal em sistemas de
acesso múltiplo (Ex. OFDMA, CDMA, DSSS)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
10
Definição 3
Dynamic Spectrum Access:
Is the real-time adjustment of Spectrum Utilization in
response to changing circumstances and objectives.
(Segundo o padrão P1900.1 do SCC41 do IEEE)
Definição 4
Cognitive Radio:
Is a type of Radio in which communication systems are
aware of their environment and internal state and can
make decisions about their radio operating behavior based
on that information and predefined objectives.
(Segundo o padrão P1900.1 do SCC41 do IEEE)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
11
Funções Cognitivas em Sistemas de Rádios Cognitivos
-
Sensoriamento Espectral (SS),
- Cognitive Pilot Channel (CPF)
- Salto de Frequências Adaptativo (FHA) em FHSS,
- Alocação dinâmica de Espectro (DSA)
- Geo-localização
- Banco de dados com informação espectral partilhada
- etc, etc.
Observação
Um sistema Rádio-Cognitivo pode utilizar uma
ou mais funções cognitivas
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
12
Organismos Internacionais e Nacionais envolvidos na
Normalização Regulação e Padronização de CRS com DSA
1. ITU através do ITU-R
2.
IEEE através do comitê SCC41 e o IEEE 802
3. ETSI (European Telecom. Standard Institute) através do TCRRS (Reconfigurable Radio System)
4. ECMA (Eurpean Computer Manufacturers Association)
através do TC 48
5. INMETRO, Através da DITEL Diretoria de telecomunicações
6. ANATEL (Agencia Nacional Telecomunicações)
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
13
1. International Telecommunication Union - ITU
ITU
Cognitive Radio Systems specific for International
Móbile Telecommunications Systems, Nov.2011
ITU-R
M.2242
SM 2152: Definitions of SDR and CRS
(Report 2009)
WP 1B
Draft CPM text on WRC-12 Agenda item 1.19
Software-Defined Radio (SDR) and Cognitive
Radio Systems (CRS), 2012
WP 5A
Abreviaturas
CPM: Conference Preparatory Meeting
CRS: Cognitive Radio System
SDR: Software Defined Radio
WP: Working Party
WRC-12: World Radio Conference 2012
CRS in the land mobile service above 30 MHz
(excluding IMT) - 2012
Documento em andamento
Documento concluido
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
14
1900.1 Definitions and concepts for dynamic spectrum access
2. IEEE Standards
for DSA Networks
1900.1
1900.4 Architecture for optimized radio resource usage
in heterogeneous wireless access networks
1900.4
P1900.4.1 Interfaces and protocols for optimized radio
resource usage in heterogeneous wireless access networks
P1900.4a Architecture and interfaces for dynamic spectrum
access networks in white space frequency bands
SCC41
1900.5
P1900.5 Policy language requirements and architectures
1900.6
P1900.6 Spectrum sensing interfaces and data structures
Ad-hoc
WS radio
IEEE
802.11y Wireless LAN: 3650-3700 MHz operation in USA
802
802.11
P802.11af Wireless LAN: TV white spaces operation
802.19
P802.19.1 TV white space coexistence methods
802.21
P802.21 Media independent handover services
802.22
P802.22 Wireless RAN: Policies and procedure for operation in
the TV bands
Abreviaturas
DSA: Dynamic Spectrum Access
RAN: Regional Area Network
SCC 41: Standard Coordinating Committee 41
WS: White Space
P802.22.1 Enhancing harmful interference protection
Documento em andamento
Documento concluido
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
15
IEEE SCC41
IEEE 1900 - Standards for DSA (Dynamic
Spectrum Access) Networks
IEEE 1900.1:
Standard Definitions and Concepts for Spectrum Management and Advanced Radio
System Technologies
IEEE 1900.2:
Recommended Practice for Interference and Coexistence Analysis
IEEE 1900.3:
Standard for Assessing the Spectrum Access Behavior of Radio Systems Employing
Dynamic Spectrum Access Methods
IEEE 1900.4:
Standard for Architectural building blocks enabling network- device distributed
decision making for optimized radio resource usage in heterogeneous wireless access
networks
IEEE 1900.5:
Standard on Policy Language and Policy Architectures for Managing Cognitive Radio
for Dynamic Spectrum Access Applications
IEEE 1900.6:
Standard on interfaces and data structures for exchanging spectrum sensing
information for dynamic spectrum access systems
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
16
IEEE 802 LAN/MAN Standards
Committee
- IEEE 802.11y
Wireless LAN: 3650-3700 MHz operation in USA
- P802.11af
Wireless LAN: TV white spaces operation
- P802.19.1
TV white space coexistence methods
- P802.21
Media independent handover services
- P802.22
Wireless RAN: Policies and procedure for
operation in the TV bands
- P802.22.1
Enhancing harmful interference protection
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
17
3. ETSI: European Telecomm. Standard Institute
ETSI
TC RRS
Potential regulatory aspects of CRS and SDR
CRS concept
WG1
Operation in Withe Space Frequency bands
Coexistence Architecture for cognitive radio
networks on UHF white space frequency bands
WG3
Abreviaturas
CRS: Cognitive Radio System
ETSI: European Telecomm. Standard Institute
RRS: Reconfigurable Radio System
TC: Technical Committee
WG: Working Group
Functional Architecture for RRS
Cogtnitive Pilot Channel
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
Documento em andamento
Documento concluído
18
4. Ecma: European Computer Manufacturers Association
ECMA
TC 48
TGi
ECMA-392 MAC and PHY for operation in TV
white space
Abreviaturas
ECMA: European Computer Manufacturers Association
TC: Technical Committee
TGi: Tasdk Group i
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
Documento em andamento
Documento concluído
19
5. Normalização de DSA no Brasil
INMETRO
DITEL
ANATEL
PLATCOG
Projeto Plataforma de Rádio Cognitivo
Órgão Regulador e
Fiscalizador. Por
enquanto NADA!!
Abreviaturas
ANATEL: Agencia Nacional de Telecomunicações
DITEL: Diretoria de Telecomunicações
INMETRO: Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
PLATCOG: Plataforma de Rádio Cognitivo
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
20
Regulamentação do Espectro de Frequências para canais de TV de 6 MHz
• Orgãos de Regulamentação e Normatização:
ITU-R – International Telecommunication Union
Radio Communication Sector
ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações
• Recomendações e Decretos em vigor:
LGT – Lei Geral das Telecomunicações (Lei n. 9472 de 1997)
Decreto n. 4.901 (2003) Sistema Brasileiro de TV digital
Recomendação ITU-R, BT.798-1 Canalização VHF e UHF
• Situação atual dos canais de TV da faixa VHF e UHF
- ANATEL Resolução n. 398/2005 - Plano Básico de distribuição de
canais para TV digital
- ANATEL Resolução n. 407/2005 – Distribuição de canais de TV digital
por estados (Brasil total: 1893 canais, Rio G. do Sul: 133 canais)
Não há ainda nenhuma resolução da ANATEL em relação a alocação
dinâmica de canais de TV para Rádio Cognitivo nas faixas de VHF e UHF
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
21
Calendário da TV Digital no Brasil
Ano
Época
2006
29 de junho
julho
Etapas
Governo decide adotar o padrão japonês para a TV Digital
Começa a venda dos primeiros conversores A/D de sinal
2007
2 dezembro
Começa a transmissão do sinal digital para a Grande São Paulo
2010
1º Semestre
Belo Horizonte, Brasília e Rio de Janeiro recebem o sinal digital
2º Semestre
Salvador e Fortaleza recebem o sinal digital
2011
dezembro
O sinal digital passa a ser obrigatório em todas as capitais
2013
dezembro
Transmissoras e retransmissoras de todas as cidades do país são
obrigadas a passar o sinal digital
2016
dezembro
O sinal analógico de televisão sai do ar. Todos devem ter
aparelhos de televisão HD ou um conversor para ver em TV
normal
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
22
Bandas de Freqüência da atual TV
Localização no Espectro
de Frequências
Banda
VHF
Very High Frequency
30 a 328 MHz
Banda baixa:
54 a 88 MHz
5
2a6
Banda alta
174 a 216 MHz
7
7 a 13
Banda:
470 a 890 MHz
70
14 a 83
UHF
Ultra High Frequency
328 a 2,9 GHz
Total de
Canais*
Total de Canais
Designação
dos
Canais
82 canais
*Considerando a Largura de Banda de um canal de TV analógico: 6 MHz
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
23
Canais de TV na faixa de VHF e UHF a serem partilhados com uma
rede de rádio cognitivo IEEE 802.22
Faixa de VHF
30 MHz
300 MHz
Rádio
Astronomia
18 MHz
Canais 2, 3, 4
54
MHz
Canais 5 e 6
72
MHz


42 MHz
12 MHz
76
MHz
Canais de 7 a 13
174
MHz
88
MHz
216
MHz
Canais baixos de VHF (2 a 6) – inadequados para TVD
Canais altos de VHF (7 a 13) – falta uma melhor avaliação para uso em TVD
Faixa de UHF
300 MHz
3000 MHz
Canal 37
138 MHz
132 MHz
Canais 14 - 36
Canais 38 a 59
608
MHz
470
MHz


614
MHz
60 MHz
Canais de 60 a 69
746
MHz
746
MHz
806
MHz
Canais baixos de UHF (14 a 59 exceto canal 37) – preferidos mundialmente para TVD
Canais altos de UHF (60 a 69) – utilização por TVD em estudo
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
24
Utilização de um canal de TV de 6 MHz pela TV digital
HDTV
19 Mbit/s
SDTV
SDTV
SDTV
SDTV
4 Mbit/s
4 Mbit/s
4 Mbit/s
4 Mbit/s
EDTV
EDTV
9 Mbit/s
9 Mbit/s
EDTV
EDTV
EDTV
6 Mbit/s
6 Mbit/s
6 Mbit/s
SDTV
SDTV
SDTV
4 Mbit/s
4 Mbit/s
4 Mbit/s
HDTV
17 Mbit/s
Com a supressão dos canais de TV
analógicos, passando para um
sistema de TV totalmente digital
o partilhamento dos canais
digitais será mais complicado
Possíveis composições de um canal de
6 MHz para transmissão de diferentes
tipos de definição de TV digital
LD
TV
LD
TV
2M
bit/s
2M
bit/s
LD
TV
2M
bit/s
HDTV (High Definition TV):
EDTV (Enhanced Definition TV):
SDTV (Standard Definition TV):
LDTV (Low Definition TV):
17 a 19 Mbit/s
6 a 9 Mbit/s
4 Mbit/s
2 Mbit/s
Qualquer combinação é possível desde que não
ultrapasse a capacidade máxima do canal de
6 MHz que é de 19,2 Mbit/s.
6 MHz
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
25
Abreviaturas em Radio Cognitivo
Abreviatura
ATSC
CCM
CCN
CCR
CEPT
CMN
CPC
CPM
CRS
CWN
DCPC
DSA
DSM
DSONPM
DVB-T
DySPAN
ECC
ECMA
ETSI
FCC
JRRM
MD
PLATCOG
RAN
RAT
RC
REM
RRM
RRS
SC
SCC41
SDR
SG
TAG
TC
TGi
TR
WG
WRAN
WRC-12
WS
Significado
Advanced Television Systems Committee
Configuration Control Module
Cognitive Control Network
Cognitive Control Radio
Postal and Telecommunications Administrations
Cognitive Mesh Network
Cognitive Pilot Channel
Conference Preparing Meeting
Cognitive Radio Systems
Composite Wireless Network
Distributed Cognitive Pilot Channel
Dynamic Spectrum Access
Dynamic Spectrum Management
Dynamic Self-organizing Planning and Management
Digital Video Broadcast-Television
Dynamic Spectrum Access Networks (SCC41 do IEEE)
Electronics Communication Committee
European Computer Manufacturers Association
European Telecommunications Standards Institute
Federal Communications Commission
Joint Radio Resources Management
Mobile Devices
Plataforma de radio Cognitivo – Projeto INMETRO
Regional Área Network
Radio Access Technologies
Radio Cognitive
Radio Environment Map
Radio Resource Management
Reconfigurable Radio System
Special Committee
Standards Coordinating Committee 41 do IEEE
Software Defined Radio
Study Group
Technical Advisory Grup
Technical Committee
Task Group i
Technical Report
Working Group
Wireless Regional Area Network
World Radio Conference 2012
Alocação
Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
White Space
e Normas
26
Referências Bibliográficas
-
FELIN, S. et al. International Standarization of Cognitive Radio System. In;
IEEE Communications Magazine, March 2011, p.82-89.
-
LIMA, M. Aspectos Regulatórios e Padronização. In; Cognitive Wireless
Communication Networks. Projeto PLATCOG – Plataforma de Rádio
Cognitivo, 2011.
-
MUECK, M. et al. ETSI Reconfigurable Radio System: Status and future
Directions on Software Defined Radio and Cognitive Radio Standards. In;
IEEE Communication Magazine, September 2010.
-
SHERMAN, M. et al. IEEE Standards supporting Cognitive Radio and
Networks, Dynamic Spectrum Access and Coexistence. In; IEEE
Communication Magazine, July 2008.
Alocação Dinâmica de Espectro (DSA): Padrões
e Normas
27